背景：人類始終對(duì)“大腦”這個(gè)重要器官懷著濃濃的好奇：大腦是怎么指揮我們?nèi)粘Ｐ袨榈?？八百億神經(jīng)元是如何協(xié)同傳遞信息的？經(jīng)過(guò)數(shù)年的攻關(guān)，清華大學(xué)推出了綜合指標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先的多維多尺度高分辨光學(xué)顯微成像系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱RUSH腦成像），采用浪潮分布式存儲(chǔ)提供PB級(jí)容量和20.16GB/s的帶寬，承載了小鼠全腦皮層神經(jīng)元的實(shí)時(shí)成像研究。
近期，清華大學(xué)多維多尺度高分辨率顯微成像（簡(jiǎn)稱RUSH腦成像）項(xiàng)目取得重大進(jìn)展，其第二代RUSH的視場(chǎng)、分辨率、幀率、數(shù)據(jù)通量等綜合技術(shù)指標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先，可實(shí)現(xiàn)對(duì)小鼠全腦皮層神經(jīng)元的分布、動(dòng)態(tài)功能信號(hào)傳遞過(guò)程的精準(zhǔn)呈現(xiàn)，對(duì)推動(dòng)中國(guó)生命和醫(yī)學(xué)科學(xué)發(fā)展，提升腦科學(xué)研究和應(yīng)用水平具有重大戰(zhàn)略意義。
活體全腦成像難在哪？
開(kāi)展大腦研究，需要在活體動(dòng)物的全腦上進(jìn)行觀測(cè)和研究。因此清華大學(xué)腦科研項(xiàng)目組選擇了小鼠大腦率先進(jìn)行全腦實(shí)時(shí)成像研究。
RUSH腦成像項(xiàng)目對(duì)擁有1億神經(jīng)元的小鼠大腦進(jìn)行了研究
但是，這項(xiàng)工作的復(fù)雜性極高，要知道，小鼠大腦的神經(jīng)元胞體直徑大概只有10微米，神經(jīng)元之間連接的突觸才2~4微米，而小鼠大腦有一億個(gè)左右的神經(jīng)元，神經(jīng)元之間有千余個(gè)數(shù)據(jù)連接，即使是最簡(jiǎn)單的神經(jīng)連接也可能跨越大腦的兩個(gè)半球，其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越當(dāng)今的互聯(lián)網(wǎng)。而考慮到人類大腦規(guī)模是小鼠的大腦的800倍（神經(jīng)元數(shù)量），復(fù)雜度不可同日而語(yǔ)。
從腦成像角度來(lái)看，要對(duì)大腦進(jìn)行觀測(cè)，不僅需要寬闊的視野和極高的分辨率，還需要極高的呈現(xiàn)速度來(lái)觀測(cè)動(dòng)態(tài)信號(hào)傳遞過(guò)程。
清華大學(xué)范靜濤老師表示，“在RUSH研究之前，現(xiàn)有的顯微觀測(cè)設(shè)備，要么可以實(shí)現(xiàn)足夠高的分辨率，但難以觀測(cè)到全腦；要么可以觀測(cè)到全腦神經(jīng)活動(dòng)，但無(wú)法觀測(cè)到足夠的神經(jīng)元細(xì)節(jié)。主要原因是同時(shí)受制于光學(xué)成像能力和數(shù)據(jù)采集-傳輸通量瓶頸。”如今，在清華RUSH項(xiàng)目組的努力下，這一情況已經(jīng)被改寫(xiě)。
腦成像：每秒100億像素、每天2.7PB，還不能丟幀
RUSH-II實(shí)現(xiàn)了視場(chǎng)大小1平方厘米、分辨率0.4微米、幀率30幀/秒的指標(biāo)，意味其能夠更好地滿足對(duì)于大腦的觀測(cè)需求。
RUSH腦成像項(xiàng)目在拍攝過(guò)程中每秒100億像素?cái)?shù)據(jù)通量，每天產(chǎn)生1.5PB數(shù)據(jù)
如果說(shuō)大視場(chǎng)、高分辨率考驗(yàn)著RUSH腦成像項(xiàng)目的光學(xué)特性，那么要滿足“極高的呈現(xiàn)速度”這個(gè)需求，就需要數(shù)字化能力的支撐。RUSH腦成像項(xiàng)目有著28臺(tái)相機(jī)，每臺(tái)相機(jī)1200萬(wàn)像素，在連續(xù)拍攝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生100.8億像素/秒的數(shù)據(jù)通量，這就意味著當(dāng)其連續(xù)拍攝任務(wù)中，每天將產(chǎn)生2.7PB左右的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)系統(tǒng)顯然要具備極高的容量。
“清華腦科研項(xiàng)目對(duì)于存儲(chǔ)的要求不僅在于容量，更大的挑戰(zhàn)是存儲(chǔ)要實(shí)時(shí)在線，不能丟幀”，清華大學(xué)范靜濤表示。例如，在研究過(guò)程中，研究人員會(huì)在小鼠血液中加入熒光劑，然后會(huì)使用RUSH中的28臺(tái)相機(jī)，以每秒30幀、連續(xù)72小時(shí)的方式對(duì)小鼠進(jìn)行拍攝，最后將這些圖片拼接成三維圖像序列。由于小鼠是活體的，其血液無(wú)時(shí)無(wú)刻不在流動(dòng)，相機(jī)需要去追蹤每一個(gè)細(xì)胞的流動(dòng)曲線，即使出現(xiàn)一幀的丟失，也會(huì)讓研究人員無(wú)法跟蹤到全過(guò)程，3D成像的拼接也無(wú)從談起，會(huì)導(dǎo)致耗時(shí)、耗資巨大的拍攝項(xiàng)目功虧一簣。
除此之外，RUSH腦成像項(xiàng)目對(duì)于存儲(chǔ)系統(tǒng)所帶來(lái)的挑戰(zhàn)還有很多。比如，RUSH腦成像系統(tǒng)的攝像儀器每秒鐘會(huì)產(chǎn)生840個(gè)文件、每個(gè)文件24MB，這些海量的小文件非?？简?yàn)存儲(chǔ)系統(tǒng)的處理能力；又如，在某些生命科學(xué)成像觀測(cè)中，長(zhǎng)達(dá)72小時(shí)的觀測(cè)會(huì)產(chǎn)生海量的文件，而且從第一個(gè)文件到寫(xiě)滿，不能丟幀，這就需要確保長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定寫(xiě)入；再如，RUSH-II無(wú)法采用冷數(shù)據(jù)備份，所以需要采用創(chuàng)新數(shù)據(jù)冗余機(jī)制，確保數(shù)據(jù)不丟失。
分布式存儲(chǔ)：以智能運(yùn)維，滿足PB級(jí)數(shù)據(jù)不丟幀
針對(duì)該項(xiàng)目的需求，浪潮提供了基于分布式存儲(chǔ)平臺(tái)AS13000的高性能、高可用、高穩(wěn)定性存儲(chǔ)解決方案，提供40個(gè)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)服務(wù)，存儲(chǔ)空間約為5PB，滿足20.16GB/s數(shù)據(jù)通量、最長(zhǎng)拍攝時(shí)間72小時(shí)、拍攝過(guò)程中不丟幀等嚴(yán)格要求。
分布式存儲(chǔ)成為新趨勢(shì)
浪潮工程師表示：“根據(jù)RUSH腦科研的應(yīng)用特征，以及對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)性能、帶寬、擴(kuò)展性、接口等需求指標(biāo)，我們進(jìn)行了業(yè)務(wù)模擬測(cè)試，對(duì)承載的數(shù)據(jù)量和運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行實(shí)際測(cè)算，并根據(jù)用戶未來(lái)業(yè)務(wù)擴(kuò)展的需求加大數(shù)據(jù)量以驗(yàn)證系統(tǒng)和平臺(tái)的承載能力和性能變化，并多次對(duì)用戶設(shè)備進(jìn)行匹配，對(duì)接口、外圍設(shè)備匹配、文件刪除性能等進(jìn)行深度優(yōu)化?！?/p>
此外，RUSH腦成像系統(tǒng)還部署浪潮智能統(tǒng)一存儲(chǔ)管理平臺(tái)InView，在數(shù)百萬(wàn)個(gè)文件的環(huán)境下，通過(guò)人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)部署、運(yùn)維、管理、調(diào)優(yōu)的自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于故障盤(pán)90%以上的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。
正如IDC與浪潮在《2019數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)發(fā)展報(bào)告》提到，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)已經(jīng)成為承載產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)平臺(tái)，高效、易于擴(kuò)展的分布式存儲(chǔ)成為趨勢(shì)，人工智能技術(shù)也將快速融入存儲(chǔ)系統(tǒng)的發(fā)展。而清華大學(xué)RUSH腦成像項(xiàng)目在數(shù)字化、智能化方面成功應(yīng)用實(shí)踐，展現(xiàn)了數(shù)據(jù)平臺(tái)在推動(dòng)科研行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)方面的巨大能量。
探索生命科學(xué)的“終極疆域”
探索腦科學(xué)，不僅有助于我們?cè)鲞M(jìn)對(duì)于生命的認(rèn)知，同樣也對(duì)腦疾病的治療與預(yù)防至關(guān)重要。雖然現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已經(jīng)有了極大的發(fā)展，但是我們依然沒(méi)有找到自閉癥、抑郁癥、精神分裂癥等精神類的疾病的“特效療法”，更不用說(shuō)，帕金森綜合征、阿爾茲海默癥等腦疾病正在讓數(shù)以億計(jì)的人忍受病痛的折磨。
科學(xué)家們正在向腦科學(xué)這個(gè)生命科學(xué)的“終極疆域”發(fā)起沖擊，而腦成像的研究與創(chuàng)新，則為揭開(kāi)大腦的秘密帶來(lái)了新的機(jī)會(huì)。
中國(guó)腦計(jì)劃雖然起步較晚，但是發(fā)展速度非?？?，《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》就將“腦科學(xué)與類腦研究”列為“科技創(chuàng)新2030-重大項(xiàng)目”，提出搶占腦科學(xué)前沿研究制高點(diǎn)。2016年，中國(guó)發(fā)布了“腦科學(xué)與類腦研究”國(guó)家重大科技專項(xiàng)，在這個(gè)未知的前沿疆域留下了更多科研工作者的身影。
范靜濤表示，他最近在思考一件事，“縱觀世界上的顯微系統(tǒng)，在小視場(chǎng)/低分辨率、大視場(chǎng)/低分辨率，小視場(chǎng)/高分辨率這三大領(lǐng)域，先后出現(xiàn)了二十余項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)，但唯獨(dú)大視場(chǎng)/高分辨率還未出現(xiàn)突破?！边@個(gè)機(jī)會(huì)，有沒(méi)有可能來(lái)自中國(guó)，又會(huì)不會(huì)是現(xiàn)在做的方向呢？未來(lái)會(huì)給出答案。
